Quanti è avanti la Cina

Immaginiamo che per risolvere un problema, il più potente calcolatore classico impieghi un tempo pari alla metà dell'età della Terra, vale a dire 2,5 miliardi di anni, e che per lo stesso problema vi sia oggi una nuova generazione di calcolatori che è in grado di risolverlo in 200 secondi. Questa è la misura del gap tra sistemi tradizionali di calcolo e sistemi quantistici e questa è la sfida tecnologica che si gioca tra le grandi potenze economiche del Pianeta che vede la Cina, per il momento, in vantaggio. “La Cina è fra i leader mondiali in tecnologie quantistiche, in particolare nel campo della comunicazione e della crittografia. Questo grazie a investimenti che sono cresciuti sempre più negli ultimi anni e alla scelta di favorire il ritorno in Cina dei più valenti ricercatori cinesi che lavorano all' estero”, dice Augusto Smerzi, dell'Istituto nazionale di ottica (Ino) del Cnr.

Una politica di sforzi e investimenti che di recente ha cominciato a dare i suoi frutti. Lo dimostrano gli eclatanti risultati ottenuti da uno dei principali gruppi di ricerca che Smerzi conosce bene: quello guidato da Jian-Wei Pan alla University of Science and Technology of China in Hefei, il cui ultimo sforzo è stato dimostrare la supremazia quantistica nel problema del “boson sampling”.

“Il 'boson sampling', sviluppato nel 2011 da due esperti di computer science, Scott Aaronson e Alex Arkhipov, è un problema i cui termini non sono esattamente convenzionali. Stiamo parlando di fotoni, una particolare categoria di bosoni (particelle fondamentali nella fisica) i quali, interferendo l'uno con l'altro, tendono ad assumere posizionamenti casuali”, ricorda il ricercatore del Cnr-Ino. “Lo scopo è tentare di campionare (sample), cioè di misurare la distribuzione dei fotoni generati da un sistema appositamente realizzato. La probabilità di trovarne uno in una determinata posizione può essere espressa da un'equazione con un altissimo numero di incognite. È proprio la capacità di risoluzione di questa complessissima equazione a fornire l'ordine di misura delle nuove impressionanti capacità di calcolo dei computer quantistici. In particolare, il gruppo di Pan ha realizzato un simulatore quantistico fotonico, chiamato Jiuzhang, dal nome di Jiuzhang Suanshu,  un matematico cinese di epoca classica, che in pochi minuti ha prodotto risultati che sono stati stimati poter richiedere milioni di anni se affrontati con un normale computer”.

A dire il vero, questa non è stata una novità assoluta, già tra agosto e settembre del 2019 il colosso Google aveva fatto molto rumore annunciando la raggiunta “supremazia quantistica”, termine oggi in discussione a cui si tende preferire “vantaggio quantistico”, vale a dire la dimostrazione che i calcolatori basati su tecnologie quantistiche raggiungono prestazioni enormemente superiori a quelli tradizionali. Google lo aveva fatto sviluppando un processore a 54 qubit, denominato Sycamore, e mettendolo al lavoro su di un problema ingegnerizzato ad hoc, che aveva sempre a che fare con il campionamento. Il risultato era stato favoloso: 200 secondi per un'operazione che con il più potente computer classico, il Summit della Ibm, avrebbe richiesto 10.000 anni.

I computer che siamo abituati a conoscere sono costituiti da circuiti elettrici miniaturizzati che elaborano grandissime quantità di bit (binary digits), ogni bit può essere uno 0 o un 1. Il computer quantistico utilizza invece i qubit (bit quantistici) e ciascun qubit può essere un intreccio di 0 e 1. Il vantaggio che ne deriva è la possibilità di compiere calcoli in parallelo mentre nel computer classico il calcolo è sostanzialmente di tipo sequenziale.

I sistemi alla base del calcolatore quantistico cinese Jiuzhang e di quello di Google, Sycamore, funzionano in maniera differente: Google costruisce circuiti quantistici utilizzando metallo superconduttore a temperature bassissime, mentre il team cinese capitanato da Jian-Wei Pan, come abbiamo visto, ha ottenuto il suo strabiliante risultato utilizzando particolari particelle, i fotoni.

Per chi ha avuto modo di osservare quanto negli ultimi decenni lo sviluppo delle tecnologie ha condizionato i nostri stili di vita, a questo punto è lecito domandarsi quali fantasmagoriche applicazioni ci attendono con macchine dal potere di calcolo tanto superiore alle precedenti. Ebbene, la risposta è semplice quanto sorprendente: nessuna. Nessun computer quantistico è al momento pronto per svolgere un “lavoro utile”, ma questo non significa affatto che non potrà riuscirci in futuro. Ed è appunto questa la scommessa sulla quale si gioca la supremazia tecnologica mondiale, intimamente legata al potere economico degli stati e al suo futuro sviluppo. In questo la Cina, col suo simulatore quantistico Jiuzhang, che ha battuto virtualmente Sycamore con uno scarto di moltissimi milioni di anni, ha indubbiamente sancito un vantaggio. E Jiuzhang non è l'unico successo del gigante asiatico in ambito di ricerca e applicazioni quantistiche. Un precedente traguardo che ha lasciato il segno è stato la realizzazione del satellite Micius, in orbita dal 2016, sempre per opera  di Jian-Wei Pan, che rappresenta il primo grande progetto di ricerca sull'informazione quantistica e che ha portato alla prima teleconferenza quantistica criptata al mondo tra Pechino e Vienna.

E ancora c'è un grosso filone di ricerca sui superconduttori e un altro in ottica quantistica. Tra Shangai e Pechino è stata realizzata una rete quantistica che permette la distribuzione quantistica di chiavi crittografiche.  Dunque la Cina oggi è tra i maggiori investitori nella ricerca scientifica, informatica e di sviluppo tecnologico dove la tecnologia quantistica rappresenta il frangente più avanzato. Come motore ci sono gli ingenti investimenti statali, ma anche quelli dei gruppi privati non sono da meno. La Cina appare in vantaggio nel panorama globale, ma la partita è ancora tutta da giocare, a colpi di fotoni e qubit.

Fonte: Augusto Smerzi, Istituto nazionale di ottica, email augusto.smerzi@ino.cnr.it